CN1966380A - 滚珠螺杆式电梯控制结构 - Google Patents

Abstract

使用滚珠螺杆作为电梯的传动机构，应用滚珠螺杆的滚动摩擦阻力很小，而在钢珠磨损后将使摩擦阻力增加，且滑动摩擦阻力远大于滚珠摩擦阻力的特性，使滚珠螺杆式电梯在正常及异常情形下会有明显的马达电流差异，通过马达电流值的检出，以提早在滚珠螺杆的损坏轻微时，即可及时检出电梯的异常，以防止电梯进一步损害，及避免人员危险的发生。

Description

滚珠螺杆式电梯控制结构

技术领域

本发明是关于一种电梯控制结构，特别是一种具有较佳的安全性，并且使用滚珠螺杆做为传动机构，而可在轻微的异常发生时即可快速被检测得知的滚珠螺杆式电梯控制结构。

背景技术

目前市面上的电梯主要分成两种：第一种是钢索式电梯，为使用牵引机带动钢索，以使电梯的车厢上升或下降的电梯；第二种是油压式电梯，为使用油压缸以驱动车厢上升或下降的电梯。

钢索式电梯主要可能发生危险的组件是带动电梯的钢索，当钢索断裂时会导致车厢有坠落的危险，而判断钢索是否会断裂的检查方法是检查钢索有没有局部的断裂，或检查钢索的直径是否已明显地变小。但是，钢索是否有局部的断裂，或是钢索的直径是否已明显的变小，都很难由电梯的自动侦测系统察觉，故一定要每隔一定时间进行一次定期安全检查，而且是由具有专业能力的检查员进行检查。为了电梯的安全，定期的安全检查本来就是无可厚非，但是因为电梯的钢索上常会附着一些黏稠的油脂，使得钢索是否有局部的断裂并不能够很容易地被发现。所以虽然已安排定期的安全检查，仍不确定可以把局部的钢索断裂确实的检查出来，使得电梯仍隐藏着一些可能断裂的不安全因素。

油压式电梯可能发生危险的情况主要是电梯的油压缸及油管破裂的问题，当油压缸或油管破裂时会导致车厢有坠落的危险，而判断油压缸及油管是否会破裂是相当困难的，一般的检查方式是检查油压系统是否有漏油的情况，因为只要油压缸或油管破裂时，由于油压的压力很大，即会使油压系统有漏油的情形发生。但是油压缸及油管在定期检查时虽然没有裂缝，并不能保证电梯的油压系统不会在下次定期检查前发生裂缝，并且油压缸的裂痕一旦产生，则由于在裂缝的附近会有应力集中的问题，将使裂缝逐渐变大，而导致故障产生。但是，油压系统中的小裂缝产生，是很难由电梯的自动侦测系统察觉的，而安全检查的周期通常又是每年一次，因此虽然在每次的定期安全检查时油压系统没有问题，却无法保证电梯不会在下次安全检查前发生危险。

因此，目前现有技术的电梯由于其故障发生时无法被自动侦测系统侦测出来，所以设计上存在着很多安全上的盲点；而且有些设计即使是在定期的安全检查时，仍无法把局部的轻微不良情形确实检查出来，所以电梯的结构存在着很多问题，有待改善。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种具有自动侦测能力的电梯，使电梯的传动组件发生异常时可以及时的被发现，而可及时被处理。

本发明的第二目的在于提供一种使用于电梯，具有较佳的安全性的电梯控制结构，使在电梯发生轻微异常时即可被快速检测得知的滚珠螺杆式电梯控制结构。

本发明的第三目的在于提供一种电梯控制结构，以利电梯异常的处置，以提升电梯的安全性。

为达到本发明的发明目的，首先本发明研究如何使用自动侦测的方式，以侦测电梯是否已经发生故障。但是在钢索的断裂前，电梯车厢及牵引机等机构的负载并不会发生异常现象，只是在钢索的长度会些微变长而已，而如此的变异量并不容易由简单的位置感应器得知；同样的情形也发生在油压系统上，油压系统漏油则压力降低，但泵浦会补偿而使油压漏油也难以被自动侦探出来。

为克服此问题，本发明首先思考使用什么机构可以在发生故障时有明显的电流值或电压值变异，经过多次的尝试后，发现滚珠螺杆具有如此的产品特性：滚珠螺杆在发生故障时，几乎都是螺帽中的滚珠系统异常或是滚动相关组件磨耗，而此时会导致滚珠螺杆的摩擦阻力急速上升，通常摩擦阻力可能会上升一至二十倍。一般的滚珠螺杆滚动摩擦的摩擦系数会小于0.01，而钢铁材料和钢铁材料间的滑动摩擦系数则在高达0.1至0.2，故当滚珠螺杆中的滚珠完全不旋转而使滚珠螺杆的摩擦系数上升到0.1或0.2以上时，将会是很容易被侦测得知的，只是此时将导致马达负载过大而电源跳脱，而使车厢上下无法移动。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：一种滚珠螺杆式电梯控制结构，其包含：一滚珠螺杆，连结至电梯的车厢；一电动机，是驱动滚珠螺杆旋转，以带动电梯的车厢上下运动；一运动控制单元，提供电动机作动的电能及控制电动机的运动参数；一电流检测单元，检测运动控制单元作动电动机的电流值，并将电流值传输予逻辑控制单元；一逻辑控制单元，分析电流检测单元所测得的电流值和预设点正常电流值比较，当测得的电流值异常时即进行异常状态处理。

其中的电动机是连接至滚珠螺杆的螺杆轴，以驱动螺杆轴旋转，带动滚珠螺杆的螺帽上下移动。

其中的电动机是连接至滚珠螺杆的螺帽，以驱动螺帽旋转而沿滚珠螺杆的螺杆轴上下移动。

其中的预设点是指电动机速度不改变的区间。

其中的预设点是以测时计的时间判断。

其中的预设点是以位置感应单元的讯号判断。

其中的异常状态处理包含产生一警告讯号，并传输至一警示装置。

其中的异常状态处理包含等待一楼层位置信号，并使电梯车厢等靠于最近的楼层后显示一故障警示。

其中的异常状态处理包含降低滚珠螺杆的速度，以避免滚珠螺杆的温度异常上升。

其中的逻辑控制单元判断电流值是否异常的标准为大于正常电流值10至30％。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的一种具有自动侦测能力的电梯，在滚珠螺杆的摩擦阻力上升的过程中，由于滚珠螺杆承受的正向力相同，而摩擦系数增加的结果导致摩擦阻力加大，而产生高热，甚至可能发生局部的金属熔化现象，有可能导致滚珠螺杆卡死而使车厢动弹不得。所幸，本发明的研究发现，滚珠螺杆的摩擦阻力上升速度并不会快到来不及侦探或是来不及反应，因此只要在电梯中设置侦测装置，并且实时处置即可避免危险情形的发生，而使电梯具有极佳的安全性；

2.本发明提供的一种具有自动侦测能力的电梯，特别选用一滚珠螺杆来带动电梯的车厢上下移动；而电动机用以驱动滚珠螺杆旋转；运动控制单元，提供电动机作动的电能；而电流检测单元，装设于运动控制单元至电动机之间，以检测运动控制单元作动电动机的电流值，并将电流值传输予逻辑控制单元；逻辑控制单元，分析电流检测单元所测得的电流值和预设点正常电流值比较，当测得的电流值异常时即进行异常状态处理。由此，使电梯的异常可以在危险发生前及时地被检出，而避免危险及预外的发生。

为方便进一步了解本发明的特征及技术内容，请详细参阅以下有关本发明的较佳实施例及说明，然而此实施例及图式仅供说明及参考用，而非用以对本发明做任何限制。

附图说明

图1为本发明的滚珠螺杆式电梯控制结构的结构方块图

图2为本发明的逻辑控制单元的逻辑流程图

图3为车厢内载重对电动机电流值的关系图

主要组件符号说明

1  滚珠螺杆

11 螺杆轴

12 螺帽

2  电动机

3  运动控制单元

4  电流检测单元

5  逻辑控制单元

6  警示装置

7  电源

8  位置检测单元

9  车厢

具体实施方式

图1为本发明的滚珠螺杆式电梯控制结构的示意图，图中的电梯控制结构包含一滚珠螺杆1、一电动机2、一运动控制单元3、一电流检测单元4、一逻辑控制单元5、一警示装置6、一电源7及一位置检测单元8。其中的电源7连接至运动控制单元3，以提供运动控制单元3的电能；电源7可为一般的直流电源、单向交流电源或三相交流电源等；各种电子组件要进行工作都是需要使用电能的，电源7除了提供运动控制单元3作动的电能外，也可以直接或间接做为其它电子组件工作的电能。

运动控制单元3提供电动机2作动的电能，并控制电动机2的运动参数，运动参数包含电动机的运动方向，用以控制电梯的车厢9是向上移动或是向下移动；另外，电动机2的运动参数也包含了电动机2的运转速度，以控制电梯车厢9移动的速度；电动机2可以是直流马达或交流马达，而通常为一交流三相感应马达，是驱动滚珠螺杆1旋转，以带动电梯的车厢9沿滚珠螺杆1的轴向做上下运动。电流检测单元4设置于运动控制单元3及电动机2之间，以检测运动控制单元3作动电动机2的电流值，并将电流值传输予逻辑控制单元5；图1中的电流检测单元4是装设于运动控制单元3及电动机2之间，以直接检测电动机2的所使用电流值，但是在要求敏感性不高时，则将电流检测单元4装设于电源7及运动控制单元3之间以监测系统的总电流值，也可以有近似的监控效果。因为电梯的系统中，以电动机2所耗用的电力最大，故电梯的系统所消耗的电流值会接近于电动机2所消耗的电流值，因此在电梯系统各单元正常的情况下(不严重漏电或短路)，监测系统的总电流值也可以有近似的监控效果；但是在电梯系统中有些单元的功能不正常的情况下，则会有一些监测误差。

逻辑控制单元5是接收来自于电流检测单元4的电流值讯号，并将电流检测单元4所测得的电流值和预设点正常电流值比较，当测得的电流值异常时即进行异常状态处理。

电动机2是驱动滚珠螺杆1旋转以带动电梯车厢9沿滚珠螺杆1的轴向做上下运动。其中，滚珠螺杆1由螺杆轴11及螺帽12共同组成，由于滚珠螺杆1是使用钢珠做为螺杆轴11及螺帽12相对运动的介质，而钢珠的摩擦阻力很小，而机械传动效率高，故不管是旋转螺杆轴11来带动螺帽12移动，或是直接旋转螺帽12使其沿螺杆轴11轴向移动都是可行的驱动方式，因此，图1中的电梯控制结构中，其电动机2可连接至滚珠螺杆1的螺杆轴11，以驱动螺杆轴11旋转，使螺帽12沿螺杆轴11的轴向上下移动；也可以将电动机2连接至滚珠螺杆1的螺帽12，以驱动螺帽12旋转并沿螺杆轴11的轴向上下移动。

图1的逻辑控制单元5和一个警示装置6是连接的，以利于当逻辑控制单元5判断电流值发生异常时，可以实时控制其连结的警示装置6作动，使相关人员得知电梯已处于异常的状态；而位置检测单元8是用以检测电梯的车厢9是否已到达或已通过某一特殊点，用以判断电动机2是否应已处于固定速度的状态，或是用来感知电梯的车厢9是否已接近于电梯某一层楼的停靠点，而可开始减速，并停靠于该楼层。

图2为本发明的逻辑控制单元5的逻辑流程图，为方便于说明，以S表示流程图中的各个步骤。逻辑流程图的第一个步骤S1是开始，为逻辑流程图起始点。逻辑流程图的第二个步骤S2为一个判断逻辑，用以判断预设点是否到达，因为在电动机2执行加减速时，需要比较高的电流值，而其电能主要是提供电梯的车厢9及配重(未显示)动能改变之用，和滚珠螺杆1的摩擦阻力大小关系不大，故为了取得和滚珠螺杆1是否摩擦阻力上升有关的正确讯号，比较电动机2的电流值的时机需要在电动机稳定旋动时较佳，故逻辑流程图的第二个步骤是判断预设点是否到达，如果预设点到达则执行第三步骤S3，如果尚未到达则继续等待而持续执行S2，直到S2的条件符合为止才继续第三步骤S3。S2中的预设点可以使用以下两种方式来定义，第一种方式是定义一个电动机2的加减速时间，当逻辑控制单元5传送一个电动机2的运动讯号给运动控制单元3以后，逻辑控制单元5中的定时器开始计时，而当计时的时间达到某一特定值时即表示预设点已经到达；第二种方式是使用一个位置检测单元8(参考图1)，并将该位置检测单元8设置于电梯的车厢应已等速度移动的区域中，当该位置检测单元8作动时即表示车厢应是在等速度的状态下，而此时的电动机2也应该会是在等速度的运转下，因此当逻辑控制单元接受到该位置检测单元8回传的讯号时，逻辑流程图的第二个步骤S2的预设点即被判断为已经到达。

逻辑流程图的第三个步骤S3为读取电动机的电流值，此步骤中逻辑控制单元5读取电流检测单元4的电流值。当电动机2为交流三相感应马达时，其电动机2所连接的每一条接线的电流值可能会各不相同，比较保守的方式为量测每一条接线的电流值，但是因为在正常而电动机2未故障或欠相的情况下，电动机2的每一条接线的电流值并不会相差很多，因此如果只量测电动机2的其中一条接线的电流值也是经济可行的做法。

逻辑流程图的第四个步骤S4为比较读取的电流值是否大于正常电流值，如果电流值并没有大于正常电流值，表示滚珠螺杆1是在正常的工作状况下，电梯系统仍是安全的，此时逻辑判断直接跳到步骤十而结束；而如果S3所读取的电流值是大于正常电流值时，即表示电梯系统已发生异常，则继续S5至S9的异常状态处理。

逻辑流程图的第五个步骤S5为激活警示装置6，以使人们警知电梯已经发生异常，不要继续使用，并且尽速进行维修。这里提到的警示装置6可能是一个蜂鸣器，或是一个闪光警示灯等，或是两者的组合；而警示装置6的设置位置可以设置于电梯的各楼层门口或(及)建筑物的管理中心等。

逻辑流程图的第六个步骤S6为通知运动控制单元3降低电动机2的速度。由于滚珠螺杆1如果发生异常而使摩擦阻力上升时，因为摩擦力大，而产生的热量也会多，容易使滚珠螺杆1的温度上升，严重时可能导致局部的金属熔化现象，其中的局部金属熔化的产生机制类似于摩擦熔接的机制。因此，为避免系统的损害持续增加，降低电动机速度以降低滚珠螺杆1的旋转速度是第一个应采取的异常处理步骤，因为滚珠螺杆1的旋转速度减慢，单位时间内的发热量减少，可以避免局部金属熔化的现象，故S6设定为通知运动控制单元3降低电动机2的旋转速度。

在降低电动机2速度后的第一个要务是把人员送达安全处所，也就是使电梯的车厢停靠在某一楼层上，并且打开车厢门，使人员顺利进出；同时，尽速将电梯的车厢停靠在最近的楼层，也可以使电梯系统不要过度作动，以避免系统进一步损害，以减少意外的发生。因此停靠于最近的一层楼是最佳的选择，故逻辑流程图的第七个步骤S7为判断最近楼层是否将到达，如果最近楼层尚未到达，则因为如此的情况下无法打开车厢门，危险性反而较高，故持续再判断，直到条件成立为止；在S7的判断条件成立以后，则继续执行第八个步骤S8。

逻辑流程图的第八个步骤S8为通知运动控制单元3停止电动机2的旋转，以使电梯的车厢9停靠于建筑物的某一层楼，并且使车厢门开启，以利人员离开电梯的车厢9。

在电梯的车厢9停靠于某一层楼，并且使车厢门开启后，执行逻辑流程图的第九个步骤S9，S9为将电梯系统设定为异常状态，以强制限制电梯在未被检查及维修前的操作，以避免电梯被不当的操作而衍生危险。

逻辑流程图的第十个步骤S10为结束，即结束逻辑控制单元的逻辑判断流程。

逻辑控制单元5除了在电动机2开始作动后执行图2的控制逻辑外，也可包含一些其它的监控工作，例如电梯的车厢9是否超载、车厢9是否将到达目标楼层等，故逻辑控制单元5通常为一个比较复杂的电路结构，而一般可使用一个可程序逻辑控制器(PLC)来做为逻辑控制单元，以减少电路设计上的复杂度。

电动机的作动负载是来自于电梯的车厢，而主要包含有使车厢及配重加减速度的惯性力、车厢及配重的重力及各种摩擦阻力，而在稳定速度的情况下，几乎没有使车厢及配重加减速度的惯性力，电动机主要是承受车厢及配重的重力及各种摩擦阻力，且摩擦阻力是最重要的项目，故当滚珠螺杆磨损而使摩擦系数上升而机械效率下降时，系统的摩擦阻力上升，而作动电动机运转的电流也会增加，如此在电动机稳定旋动时可由电动机的电流值来研判系统是否已有劣化产生。然而，在电梯系统中，除了摩擦系数的变化以外，车厢内人员的载重也会影响到车厢总重及各种摩擦阻力，为了确保本发明的监测方式不会受到车厢内的乘载人数影响，而产生逻辑判断上的错误，故必需再度确认车厢内的载重对电动机电流值的影响。图3为车厢内载重对电动机电流值的关系图，图3的数据是使用可乘载人数为三人的电梯进行测试，故只量测到150公斤，测试用电梯是使用滚珠螺杆带动电梯的车厢，且电流值的量测点是在电动机等速度旋转的区间内。图中的横轴表示电梯的车厢内承载的重量，单位为公斤重(kgf)，而纵轴表示在电动机在等速度旋转时的电流值，单位为安培，正方形的数据点是表示车厢在上升状况下的量测值，而圆形的数据点则用以显示电梯车厢下降时的量测值，由量测结果显示电梯车厢内不承载物品时(承载重量0kgf时)的电流值和车厢承载150公斤的负载的电流值只相差了0.3安培，不到平均电流值的十分之一，因此当电动机的电流值上升10％即可视为系统已有异常发生，而可尽快加以维护(修)；但是为了避免判断方法太过于敏感，而使一些电流上的噪声被误认为是电梯系统的异常，逻辑控制单元5在判断电流值是否异常的标准可以设定为大于正常电流值的30％，以得到比较保守的结果。因为当螺帽中的滚珠系统异常或是滚动相关组件磨耗时，可能会导致滚珠螺杆的摩擦阻力上升一至二十倍，故电流值上升30％已经是很保守的判断方式。

综上所述，本申请经由机械结构研究分析、电控逻辑设计，并且配合实验上的验证，改善现有电梯的缺点，提供一种安全的电梯控制结构，使电梯一有损坏发生时，即可被快速且自动的检知，以避免后续的衍生性危害发生。不只在空间及方法上确属创新，并能较现有的技术增进上述多项功效。

Claims (10)

1.一种滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于，其包含：

一滚珠螺杆，连结至电梯的车厢；

一电动机，是驱动滚珠螺杆旋转，以带动电梯的车厢上下运动；

一运动控制单元，提供电动机作动的电能及控制电动机的运动参数；

一电流检测单元，检测运动控制单元作动电动机的电流值，并将电流值传输予逻辑控制单元；

一逻辑控制单元，分析电流检测单元所测得的电流值和预设点正常电流值比较，当测得的电流值异常时即进行异常状态处理。

2.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的电动机是连接至滚珠螺杆的螺杆轴，以驱动螺杆轴旋转，带动滚珠螺杆的螺帽上下移动。

3.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其中的电动机是连接至滚珠螺杆的螺帽，以驱动螺帽旋转而沿滚珠螺杆的螺杆轴上下移动。

4.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的预设点是指电动机速度不改变的区间。

5.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的预设点是以测时计的时间判断。

6.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的预设点是以位置感应单元的讯号判断。

7.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的异常状态处理包含产生一警告讯号，并传输至一警示装置。

8.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的异常状态处理包含等待一楼层位置信号，并使电梯车厢等靠于最近的楼层后显示一故障警示。

9.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的异常状态处理包含降低滚珠螺杆的速度，以避免滚珠螺杆的温度异常上升。

10.根据权利要求1所述的滚珠螺杆式电梯控制结构，其特征在于：其中的逻辑控制单元判断电流值是否异常的标准为大于正常电流值10至30％。

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